Bezpośredni pomiar energii szansą na poprawę skuteczności

Bezpośredni pomiar energii szansą na
poprawę skuteczności radioterapii –
wzorce dawki pochłoniętej w wodzie
Adrian Knyziak, Michał Derlaciński,
Witold Rzodkiewicz
Zakład Promieniowania i Drgań, Główny Urząd Miar, Ul. Elektoralna 2, 00-139, Warszawa
e-mail: [email protected]
Plan wystąpienia
• Cel i motywacja
• Rola dokładności pomiaru w poprawie
skuteczności radioterapii
• Stanowisko pomiarowe do wyznaczenia dawki
pochłoniętej w wodzie
• Prace nad wytworzeniem wzorca pierwotnego
• Wyniki prac
• Podsumowanie i Wnioski
Cel i motywacja
•
Podstawą biologiczną radioterapii są zależności odpowiedzi tkanki
nowotworowej i tkanki zdrowej w funkcji dawki pochłoniętej w objętości
napromienianej.
•
W radioterapii nowotworów zmiana względnej wartości dawki o 5% może
spowodować zmianę prawdopodobieństwa wyleczenia nawet o 25%.
•
Wydaje się istotne aby móc dysponować takimi wzorcami terapeutycznymi,
aby w sposób bardzo dokładny określić podawaną dawkę pacjentowi.
•
Zatem, celem tej pracy jest pokazanie możliwości jak najbardziej
dokładnego odtworzenia jednostki dawki pochłoniętej w wodzie
i przekazywania tej jednostki w procesie wzorcowania na wtórne wzorce,
a następnie na użytkowe dawkomierze terapeutyczne.
Rola dokładności pomiaru
[1] A. Z. Hrynkiewicz, E. Rokita - Fizyczne Metody Diagnostyki Medycznej i terapii, str. 188, PWN, 2000
•
Dokładność odtworzenia jednostki dawki pochłoniętej w wodzie
i przekazywania jednostki w procesie wzorcowania na wtórne wzorce,
a następnie na użytkowe dawkomierze terapeutyczne.
•
Powtarzalność podawania dawki pacjentowi w trakcie kolejnych frakcji
napromieniania.
Określanie dawki pochłoniętej w wodzie
Dawka pochłonięta w wodzie:
Moc dawki pochłoniętej w wodzie:
•
dDw
dE
Dw =
Dw =
dt
dm
Poprawna wartość mocy dawki pochłoniętej w wodzie, w przypadku
jonometrycznych wzorców pierwotnych uzyskana przy użyciu prądowej
komory jonizacyjnej wyraża się wzorem [2,3]:
  µ en  
 
 

•
Q 1 W 
 ρ w 

D w = ⋅ ⋅   ⋅ sc , a ⋅ 
⋅ψ w,c ⋅ (1 + ε )w,c ⋅ ∏ ki
t m  e
 µ en  

 

  ρ  c 
sc ,a
ψ w,c
- stosunek średniej mocy hamowania w graficie do średniej mocy hamowania w powietrzu
- stosunek pomiędzy strumieniem energii fotonów w danym punkcie pomiaru w wodzie
a strumieniem energii fotonów w graficie
(1 + ε )w,c
- wielkość zaabsorbowanej dawki w Kermie
[2] Boutillon M. , Perrochet A.M. Ionometric determination of absorbed dose to water for cobalt-60 gamma rays,
Phys. Med. Biol., 38 (1993), 439-454.
[3] Absorber Dose Determination in External Beam Radiotherapy, IAEA TRS-398, 2001
Stanowisko pomiarowe do wyznaczenia dawki
pochłoniętej w wodzie w GUM
Komora jonizacyjna - wzorzec dawki
pochłoniętej w wodzie promieniowania
gamma nuklidu 60Co umieszczona w
wodoszczelnej osłonce w fantomie wodnym
na stanowisku pomiarowym
Prace nad wzorcem jonometrycznym
•
Wzorzec pierwotny
komora Dw7 - nasz
najlepszy prototyp
jonometrycznego
wzorca pierwotnego.
Wyniki naszych prac
Stabilność komór jonizacyjnych:
Dane pomiarowe, uzyskane dla Dw #7:
NE2571
Dw #7 (nasz wzorzec)
0.20%
0.12%
8,000E-005
7,000E-005
E [keV]
60
75
95
140
662
1250
Nx [Gy/C]
6,000E-005
K' [Gy/s]
I [pA]
N x [Gy/C]
5,536E-004
7,451 7,430E-005
5,234E-004
8,145 6,426E-005
7,232E-004
12,400 5,832E-005
9,601E-004
17,966 5,344E-005
8,482E-005
1,658 5,115E-005
1,863E-004
3,245 5,742E-005
5,000E-005
4,000E-005
3,000E-005
2,000E-005
1,000E-005
0,000E+000
0
200
400
600
800
1000
E [keV]
Wartości współczynników poprawkowych, uzyskane dla Dw #7:
kpf
ks
kpol
kps
kscat
0.99897±0.00028
1.00236±0.00041
0.99336±0.00020
0.99901±0.00030
?
1200
1400
Prace nad tworzeniem wzorca pierwotnego
Co potrzebne?
izolacja
R2
R1
UWY
R3
R4
termistor
fantom kalorymetru
UWE
Prace nad tworzeniem wzorca pierwotnego (2)
Na bazie kalorymetru wodnego Domen’a [4]
Nasz fantom wodny z kalorymetrem:
[4] Domen S.R. A sealed water calorimeter for measuring absorbed dose, J. Research of NIST, 99 (1994), 121-141.
Określanie dawki pochłoniętej w wodzie
- metoda kalorymetryczna
Poprawna wartość mocy dawki pochłoniętej
w wodzie, Dw, uzyskana przy użyciu metody
kalorymetrycznej wyraża się wzorem [4-6]:
Dw = ∆T ⋅ c p ⋅ (1 − k hd ) ⋅ ∏ ki
−1
Gdzie:
½ - jest wynikiem zastosowania dwóch termistorów do pomiaru wzrostu temperatury
∆T =
1  ∆R  −1
⋅
⋅ S
2  R 
Rth = Rth, 0 ⋅ e
k hd =
1 1
B ⋅ −
 T T0



( Ea − E h )
Ea
∆R/R – zmierzona zmiana rezystancji za pomocą mostka Wheatstone’a
|S-1| - bezwzględna wartość odwrotnej wartości sumy czułości termistorów określona w oparciu o dane kalibracyjne
cp – ciepło właściwe wody w danej temperaturze pracy kalorymetru
khd – poprawka zwana defektem cieplnym, Ea – energia zaabsorbowanego promieniowania, Eh – energia w postaci
wydzielonego ciepła
[4] Domen S.R. A sealed water calorimeter for measuring absorbed dose, J. Research of NIST, 99 (1994), 121-141.
[5] Klassen N. V. and Ross C. K. Water Calorimety: the Heat Defect, J. Research of NIST, 102 (1997), 63-74.
[6] Krauss A. The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 60Co radiation,
Metrologia 43 (2006) 259-272.
Wnioski i podsumowanie
•Prezentowane stanowisko w zakresie wzorca wtórnego jest już w pełni zakończone. Na omawianym
stanowisku odtwarza się wartość mocy dawki pochłoniętej w wodzie dla wzorcowego źródła
promieniowania gamma nuklidu 60Co ze względną niepewnością standardową 0,30%. Stabilność
długoterminowa stanowiska jest nie gorsza niż 0,20%. Przeprowadzone wzorcowania próbne pokazują,
że na w/w stanowisku można przekazywać jednostkę mocy dawki pochłoniętej w wodzie ze względną
niepewnością rozszerzoną nie przekraczającą 1,3% (przy k = 2).
•Prace nad jonometrycznym wzorcem pierwotnym dobiegają końca. Została wyznaczona większość
współczynników poprawkowych – wszystkie współczynniki wyznaczane doświadczalnie. Pozostaje
jeszcze wyznaczenie ostatniego współczynnika poprawkowego z wykorzystaniem metody Monte Carlo.
Po wyznaczeniu w/w współczynnika zostaną przeprowadzone porównania z BIPM, które wstępnie
zaplanowane są na rok 2014. Przewidywana względna niepewność standardowa odtwarzania dawki
pochłoniętej w wodzie wynosi 0,23%.
•Ostatni etap prac związany jest z budową kalorymetru grafitowego lub wodnego. Posiadanie wzorca
pierwotnego pozwoli na znaczne rozszerzenie zakresu energii, dla których będzie możliwe wzorcowanie
użytkowych dawkomierzy terapeutycznych (zakresy energetyczne akceleratorów medycznych),
zmniejszy znacząco względne niepewności złożone procesu odtwarzania i wzorcowania oraz umożliwi
wyznaczanie wartości mocy dawki pochłoniętej w wodzie dla różnego rodzaju promieniowania
jonizującego wykorzystywanego w radioterapii.
Dziękuję za uwagę